Задачи управления промышленными объектами через создание цифрового двойника предприятия
Модернизация производства — это комплексное, частичное или полное обновление систем или оснащения на предприятии. Данный процесс влечет за собой целый ряд мероприятий, среди которых большую часть занимает тщательный анализ и сбор информации.
В данной статье предлагается затронуть тему цифровых двойников[1] предприятий и их реализацию в виде набора цифровых информационных моделей.
В последние годы эта тема становится все более востребованной и острой. Среди причин такого повышенного интереса можно отметить:
- объявление национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации»;
- выполнение задач цифровизации строительной отрасли (раздел «Цифровизация строительной отрасли» в проекте «Стратегии развития строительной отрасли до 2030 года»[2]);
- рост применения технологий информационного моделирования;
- появление на рынке труда молодых специалистов, владеющих инструментом.
Все чаще владельцы предприятий и представители государственных структур обращают внимание на новые технологии применительно к своим задачам, в том числе и при решении вопросов модернизации. Ни для кого не секрет, что основная масса предприятий построена в прошлом веке и не соответствует современным требованиям. И, следовательно, чтобы вывести оных в список лидеров мирового технологического процесса и наилучших доступных технологий, необходима их модернизация. Это задача стратегического уровня. Политическая и экономическая обстановка, связанная с санкциями, пандемией и рядом других причин, только обострила эту необходимость.
Что же может позволить решить задачу цифровизации строительной отрасли в промышленном кластере? И почему именно о нем стоит говорить?
В России, на первый взгляд, есть все предпосылки для резкого роста и развития новых подходов к управлению через создание цифровых двойников: на правительственном уровне приняты или принимаются необходимые решения, говорящие об особом статусе задач цифровизации в строительной отрасли; в проектных организациях строительной отрасли полным ходом идет освоение технологий информационного моделирования; высшие учебные заведения меняют свои программы с учетом государственного заказа и общемировыми тенденциями; инвесторы и заказчики наконец-то научились не только выговаривать, но и понимать основной смысл и назначение технологий информационного моделирования (BIM-технологий). И надо отметить, что Россия быстро наверстывает разрыв в этом направлении.
Основные усилия по внедрению технологий информационного моделирования сейчас направлены на рынок жилищного строительства и госзаказ объектов социальной направленности. Однако даже рынок жилищного строительства не выдает ожидаемых результатов, если говорить о полном жизненном цикле объектов капитального строительства. И связано это в первую очередь с разрывом интересов игроков — инвестор (заказчик), как правило, не участвует в дальнейшей эксплуатации произведенной продукции, будь то жилые дома, школы, поликлиники или административные здания. И, как следствие, управляющие компании или комитеты городских структур, которым в дальнейшем предстоит эксплуатация этих объектов, имеют или мизерное представление о BIM и собственной вовлеченности в процесс цифровизации, или не имеют его вовсе.
И все-таки нельзя утверждать, что цифровые двойники в жилищном комплексе на территории России отсутствуют. Такие примеры есть, и связаны они только с крупными частными застройщиками, осваивающими территорию Москвы. Например, PSN Group (ТОП-5 девелопер Москвы по результатам 2016 года) была внедрена Единая система мониторинга, управления и аналитики для сети жилых комплексов (используются модели зданий), которая находится в промышленной эксплуатации, но по-прежнему постоянно развивается: происходит подключение новых жилых комплексов, разрабатываются новые модули, связанные с предикативным анализом работы оборудования, формируются планы развития[3]. Это скорее исключительный случай.
Другое дело — промышленные объекты. Любое предприятие проходит полный жизненный цикл от появления идеи до демонтажа, сохраняя интерес своего заказчика — управленца. И вот тут-то можно и должно в полной мере почувствовать преимущества применения технологий информационного моделирования в качестве создания цифрового двойника промышленного объекта.
Современный мир предлагает для решения таких задач множество технологий, концепций и инструментов: PLM/PDM, BigData (Большие данные), IIoT[4] (Промышленный интернет вещей), Cloud Computing (Облачные вычисления), GIS (Геоинформационные системы), BIM/openBIM и другие. Все это может быть востребовано при решении множества задач управления объектами предприятия, одной из которых является модернизация. Например, создание цифрового двойника путем формирования цифровых информационных моделей производственных цехов поможет собрать данные о состоянии оборудования, об основных и оборотных средствах, а также о производственных процессах и проанализировать их с помощью специализированных систем.
Модернизация предприятия без снижения объемов производства и, тем более, без его остановки — это задача, которая под силу современным технологиям. Кто-то может возразить, что такие задачи решались и прежде. Решались, но сейчас главный фактор — это время.
Несколько лет назад шли постоянные обсуждения отсутствия стандартов по технологиям информационного моделирования, а сейчас уже речь идет о более глубокой их проработке и применимости к особенностям российского рынка.
Если еще десять лет назад разворачивались целые баталии на тему отсутствия интеграции при применении программного обеспечения разных вендоров, то сейчас и этот вопрос начинает уходить в прошлое. Разработчики программного обеспечения становятся более открытыми друг другу, понимая, что не могут покрыть весь спектр решаемых в строительной отрасли задач. В качестве стандарта обмена и управления данными об объектах строительства в Российской Федерации принят формат IFC (Industry Foundation Classes — формат данных с открытой спецификацией)[5].
Так что же препятствует появлению цифрового двойника предприятия и его участия в вопросах модернизации и, возможно, в дальнейшем в задачах управления активами?
Ответ простой — желание заказчика, его умение идти к поставленной цели и добиваться ее, так как этот процесс невозможно решить в укороченные сроки.
В 2019 году Роснефть запустила в опытно-промышленную эксплуатацию цифровой двойник своего месторождения в Башкирии — проект «Цифровое месторождение»[6], выстраивая тем самым интегральную цепочку нового типа, включающую в себя «цифровое месторождение», «цифровой завод» и «цифровую АЗС». Разработка и запуск проекта «Цифровое месторождение» осуществляется в рамках стратегии «Роснефть-2022», предусматривающей переход на качественно новый уровень управления бизнес-процессами, повышение надежности и экономичности производства, сокращение потерь. Хоть в приведенном примере есть упоминание о «цифровом заводе», но все же выполненная работа относится к управлению производственными процессами, а не промышленными объектами недвижимости.
А вот другой пример. Как сообщается на сайте компании «Газпром нефть»[7] от 27 октября 2020 года, «Газпром нефть» получила патент на собственную цифровую разработку — Систему управления инженерными данными (СУПРИД). Система формирует электронные модели производственных установок — цифровые двойники, включающие в себя инженерно-техническую документацию и 3D-модель объектов. Сейчас СУПРИД охватывает Московский и Омский НПЗ «Газпром нефти», позволяя на 20% сократить временные затраты на выполнение регламентных мероприятий по эксплуатации, ремонту и обслуживанию. Экономический эффект от внедрения системы на нефтеперерабатывающих заводах компании оценивается более чем в 700 млн рублей в год.
Итак, видно, что процесс создания цифровых двойников предприятий уже начал свое движение по территории России, и хочется верить в появление новой технологии, которая с каждым годом будет все более востребованной и совершенной. Однако, прикоснувшись к цифровым двойникам в жизни, понимаем, что пока это или попытка перевести привычный процесс проектирования на новый уровень, или подтягивание моделей зданий без информационной части к своим системам автоматизации, или же моделирование без учета всех последующих задач использования цифровых информационных моделей: эксплуатация, модернизация, управление активами и так далее.
В массе случаев появляющихся на свет цифровых двойников видно, что отсутствует главное — требования заказчика, которые зафиксированы в виде документов и будут неукоснительно выполняться исполнителями; что зачастую исполнители живут интересами, очерченными рамками своих договоров и получением вознаграждения за свой труд, без желания понять, что за каждым этапом жизненного цикла объекта до момента его ликвидации идет следующий этап со своими задачами, использующими результаты предыдущего этапа, и что несогласованный переход от одного этапа к другому может привести к большим финансовым издержкам. А ведь технологии информационного моделирования предназначены для наименее рискового прохождения объекта капитального строительства по всему жизненному циклу. Но для этого надо просто правильно организовать работу. Это значит, что впереди предстоит много интересной работы.
Компания ООО «Бюро ЕСГ» — это системный интегратор, который принимает активное участие в проработке правильного подхода к созданию цифровых двойников промышленных объектов. Нашими клиентами являются крупные промышленные компании в нефтегазовой, сталелитейной, судостроительной и других отраслях. «Бюро ЕСГ» имеет многолетний опыт по внедрению технологий информационного моделирования, применению технологий лазерного сканирования, созданию систем управления инженерными/проектными данными, использованию геоинформационных систем и их интеграции с цифровыми информационными моделями. Наша компания предоставляет полный комплекс услуг по разработке технологии создания цифрового двойника предприятия с учетом его последующего использования.
За последние годы специалистами ООО «Бюро ЕСГ»[8] выполнены и продолжают выполняться работы по созданию цифровых двойников как на основе лазерного сканирования, так и с использованием проектной, рабочей и исполнительной документации. ООО «Бюро ЕСГ» принимает активное участие при разработке требований заказчиков к цифровым информационным моделям в различных отраслях промышленности[9], в том числе для ПАО «Газпром нефть», а также в разработке методик создания цифровых информационных моделей с применением программного обеспечения разных разработчиков.
ООО «Бюро ЕСГ» принимает участие в пилотных проектах по разработке импортозамещающих систем управления инженерными данными и их интеграции с цифровым двойником предприятия. Группой специалистов ООО «Бюро ЕСГ» по геоинформационным системам реализован ряд проектов по созданию электронного генплана, а также интеграции BIM и 3D-ГИС.
[1] Цифровой двойник (англ. Digital Twin) — цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса. Концепция «цифрового двойника» является частью четвертой промышленной революции и призвана помочь предприятиям быстрее обнаруживать физические проблемы, точнее предсказывать их результаты и производить более качественные продукты. Википедия.
[2] https://nopriz.ru/upload/iblock/892/TSifrovizatsiya-stroitelnoy-otrasli-dlya-Strategii.pdf
[3] Информация получена с интернет-ресурса https://hmps-business.ru/portfolio/sistema-monitoringa-upravleniya-i-analitiki-dlya-psn-group.html
[4] Промы́шленный интерне́т веще́й (англ. Industrial Internet of Things, IIoT) — это система объединенных компьютерных сетей и подключенных к ним промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и программным обеспечением для сбора и обмена данными с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме, без участия человека. Применение Интернета вещей в промышленности создает новые возможности для развития производства и решает ряд важнейших задач: повышение производительности оборудования, снижение материальных и энергетических затрат, повышение качества, оптимизация и улучшение условий труда сотрудников компании, рост рентабельности производства и конкурентоспособности на мировом рынке. Википедия.
[5] ГОСТ Р 10.0.02-2019/ИСО 16739-1:2018 Система стандартов информационного моделирования зданий и сооружений. Отраслевые базовые классы (IFC) для обмена и управления данными об объектах строительства.
[6] Более полную информацию можно получить на сайте Роснефть (https://www.rosneft.ru/press/news/item/195043/).
[7] «Газпром нефть» защитила патентом собственную систему управления инженерными данными
[8] Более подробно об опыте компании ООО «Бюро ЕСГ» и предоставляемых услугах можно узнать на сайте http://esg.spb.ru
[9] Автор статьи в период работы в СПб ГАУ ЦГЭ (Центр государственной экспертизы Санкт-Петербурга) сформулировала требования к цифровым информационным моделям, представляемым для проведения экспертизы в Санкт-Петербурге (https://www.spbexp.ru/docs/podgotovka-informatsionnykh-modeley-bim/), которые уже успешно применяются и продолжают развиваться.
Союз стекла и металла. Алюминиевое фасадное остекление
Алюминиевое фасадное остекление все чаще задействуется при возведении зданий и позволяет воплощать в жизнь интересные архитектурные и дизайнерские решения.
По оценке экспертов, в настоящее время в России каждый четвертый офисный центр и торгово-развлекательный комплекс возводится с использованием конструкций из алюминиевого профиля. Реже он применяется в типовом домостроении и достаточно часто в сегменте жилья бизнес- и премиум-класса.
Интерес к алюминиевому фасадному остеклению объясняется множеством факторов. Наверное, главный из них относится к архитектуре. Сочетание стекла и металла позволяет воплотить в жизнь смелые и интересные решения внешнего облика зданий, украсить город.
Как отмечает заместитель руководителя проектного бюро «Артэс» Владислав Шишков, тренд на алюминиевое фасадное остекление задан был около пятнадцати лет назад. В это время стали появляться первые такие здания. «Сейчас их стало на порядок больше. Да и сама технология значительно преобразилась. Стекло и металлоконструкции за счет внедрения ряда производственных решений стали меньше терять тепло. Таким образом, положительно решился вопрос об энергоэффективности таких зданий. Возводить объекты недвижимости с панорамным остеклением несколько затратно, особенно если они в своей архитектуре сложны. Тем не менее, такое здание внешне выделяется среди обычных кирпичных и монолитных коробок и имеет интересное внутреннее пространство», – подчеркивает он.
Эксперты обращают внимание и на качественные характеристики самого алюминиевого фасадного профиля. По словам генерального директора ООО «Алютех» Олега Жигеля, срок их службы составляет более 80 лет. При этом некоторые комплектующие, которые могут выйти из строя раньше (такие как фурнитура, утеплитель, сам стеклопакет), достаточно легко заменить.
«Холдинг «Алютех» в изготовлении алюминиевых профилей использует только первичный алюминий, что обеспечивает гарантированные механические свойства готовых конструкций. Они имеют высокую сопротивляемость весовым и ветровым нагрузкам, способны выдерживать значительные перепады температур, устойчивы к коррозии. Качественные уплотнители из EPDM (синтетический эластомер) не пропускают в помещение пыль, влагу, неприятные запахи. Нагрузка на несущие конструкции при установке такого профиля минимальна, поэтому можно исключить этап проведения работ по их дополнительному укреплению. Кроме того, алюминиевые профили абсолютно нетоксичны, легко моются и не нуждаются в регулярной покраске. Можно заказать любой подходящий к экстерьеру цвет конструкции, а также любые типы створок – глухие, распашные, раздвижные либо поворотные», – говорит Олег Жигель.
Стоит добавить, что сравнительно небольшую, но устойчивую (около 10%) долю рынка алюминиевый профиль занимает в сегменте обычных окон. При этом эксперты считают, что показатель будет меняться. Спрос на окна с алюминиевым профилем в ближайшие годы вырастет. Связано это и с появлением новых проектных решений в жилищном строительстве, и с растущей популярностью «теплого» алюминия. Кроме того, за счет использования новых технологий такие оконные профили уменьшились в стоимости и стали доступнее для многих категорий клиентов. По словам специалистов, алюминиевые конструкции более долговечны в эксплуатации в сравнении с пластиковыми и деревянными. На этот фактор все больше будут обращать внимание как застройщики, так и обычные граждане.
Мнение
Олег Жигель, генеральный директор ООО «Алютех»:
– За последние два года в нашей компании проведена огромная работа по улучшению технических характеристик алюминиевых профильных систем. В частности, были максимально увеличены качественные характеристики и показатели систем, при сохранении текущей стоимости продукта. Введены более технологичные и современные конструктивные решения при оптимизации номенклатуры профилей и комплектующих. Все это помогло нам занять позицию технологического лидера среди отечественных компаний на рынках СНГ. Уровень систем приблизился к линейке ведущих европейских конкурентов, что позволит значительно увеличить долю экспортных рынков.
С учетом местных особенностей. Специфика инженерно-гидрометеорологических изысканий
Бывали случаи, когда после проведения инженерно-гидрометеорологических изысканий (ИГМИ) корректировалась локация строительства или вовсе сворачивался проект. Почему это так важно?
Наряду с геологическими, экологическими исследованиями ИГМИ помогают раскрыть особенности территории, на которой планируется построить здание, сооружение или линейный объект.
Следуя по этапам
По словам специалистов, состав, объем и виды ИГМИ регламентируется требованиями действующих нормативных документов (СП 47.13330.2016, СП 11-103-97, СП 33-101-2003). Работы выполняются в соответствии с техническим заданием и программой ИГМИ, представленной в приложении к отчету.
Главный гидролог ЗАО «ЛенТИСИЗ» Ольга Ходкина отмечает, что ИГМИ проводятся в три этапа. Первый – подразумевает подготовительную работу. Он включает в себя изучение планового материала на предмет достаточности для снятия расчетных морфометрических характеристик в районе проведения работ. Второй этап – это полевые изыскания на местности. Проводится комплекс гидрографических, гидрометрических и морфометрических работ. Они выполняются с целью получения исходной информации для расчетов уровней водотока, оценки русловых деформаций и других гидрологических характеристик. «Третий этап – это камеральная работа. Она выполняется по завершении полевых исследований, с использованием полученных материалов. Включает в себя необходимые гидрологические расчеты, составление текстовых и графических приложений, нанесение гидрологической информации на топографические профили и планы, составление технического отчета по ИГМИ или главы в комплексном отчете по изысканиям», – поясняет она.
В целом, как добавляет эксперт, ИГМИ позволяют учесть ряд факторов, серьезно влияющих на надежность и жизнеспособность будущего объекта, а также учесть его влияние на окружающую среду.
Территориальная специфика
Проведение ИГМИ особенно важно для территорий Петербурга и Ленобласти. Местность имеет влажный переменчивый климат (негативно влияющий на состояние зданий, сооружений, дорог), болотистую почву, множество водных объектов. Все это необходимо учитывать при проектировании и строительстве, чтобы избежать подтопления участков, домов, трасс во время таяния снегов, паводков и пр. Собственникам объектов недвижимости важно не забывать, что грунтовые воды могут привести к разрушению фундаментов, что чревато серьезными проблемами.
Действующие нормативы по определению гидрометеорологических характеристик разработаны преимущественно для естественных условий, рассказывает заведующий отделом прогнозирования гидрологических процессов и экспериментальных исследований ФГБУ «Государственный гидрологический институт» Михаил Марков. В основе их лежит представление о стационарности или цикличности природных процессов. Вместе с тем на эти процессы существенно могут влиять антропогенные факторы, а в последнее время и климатические изменения. Это необходимо учитывать в изысканиях для Петербурга и Ленобласти, особенно для урбанизированных территорий.
В настоящее время в Северной столице ИГМИ готовы делать десятки различных организаций. Многие из них используют в своей деятельности технологии, автоматизирующие рабочие процессы, а также оборудование, упрощающее проведение полевых работ. В частности, специалисты проводят дистанционный осмотр местности с помощью беспилотных летательных аппаратов, геодезической спутниковой аппаратуры с контроллером.
По словам Михаила Маркова, стоимость ИГМИ зависит от состава и объема необходимой гидрометеорологической информации. «Она определяется в зависимости от вида и назначения сооружений, их уровня ответственности, стадии проектирования, а также гидрологических и климатических условий района (площадки, трассы) строительства. По опыту нашего института, стоимость ИГМИ варьируется от 25 тыс. рублей за справку по какому-либо одному параметру до 3–10 млн и более при гидрометеорологическом обосновании проектирования дорогостоящих объектов, подобных АЭС или комплексу защитных сооружений от наводнений», – добавил он.
Мнение
Ольга Ходкина, главный гидролог ЗАО «ЛенТИСИЗ»:
– Стоимость гидрометеорологических изысканий определяется, в первую очередь, исходя из поставленной задачи, объема предстоящих работ, а также их сложности, видов используемого оборудования. В среднем она начинается от суммы в несколько десятков тысяч рублей для площадок, не попадающих в водоохранную зону, и выше – для участков, расположенных в непосредственной близости к водотокам и водоемам. На цену также будут влиять изученность района работ, площадь участка обследования. При проведении изысканий для строительства линейного объекта (газопровода, линии электропередач, автомобильной трассы) также учитываются пересекающие водные переходы. Стоимость услуг будет начинаться от суммы в 100 тыс. рублей.
Михаил Марков, заведующий отделом прогнозирования гидрологических процессов и экспериментальных исследований ФГБУ «Государственный гидрологический институт»:
– ИГМИ проводятся во всех случаях, когда проектируемые инженерные объекты должны быть устойчивы к воздействиям гидрометеорологических факторов и гарантированно обеспечены водными и климатическими ресурсами с учетом экологических и иных ограничений, связанных с обеспечением благоприятных условий проживания, труда и отдыха населения. Заказчиками ИГМИ могут быть разработчики градостроительной документации, инвестиционные компании, проектные организации, органы исполнительной власти, экспертные сообщества, экологические организации и физические лица.